大型H級(jí)調(diào)峰燃機(jī)電站主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 浩，胡振興

（中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

H級(jí)燃機(jī)是目前最先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型，擁有最大的出力、最高的燃燒初溫和最高的效率，代表目前燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的最高水平。作為優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰電源，國內(nèi)多地開始投資建設(shè)大型H級(jí)燃機(jī)機(jī)組。而這類型調(diào)峰機(jī)組，絕大部分通過220 kV電壓等級(jí)接入負(fù)荷中心骨干電網(wǎng)。本文針對(duì)這類高壓側(cè)為220 kV的大型H級(jí)調(diào)峰燃機(jī)機(jī)組進(jìn)行了主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 常規(guī)電氣主接線方案

目前國內(nèi)調(diào)峰燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組項(xiàng)目在發(fā)電機(jī)出口一般都配置了GCB，典型(單軸)電氣主接線圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)電氣主接線方案

1.1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器的要求

調(diào)峰燃機(jī)機(jī)組要頻繁啟停，安裝發(fā)電機(jī)斷路器可以簡化操作。考慮到頻繁啟停廠用電快切裝置的成功率問題，調(diào)峰燃機(jī)機(jī)組通過主變壓器從電力系統(tǒng)取得啟動(dòng)電源，以保證機(jī)組的正常啟動(dòng)、停機(jī)，故設(shè)置發(fā)電機(jī)斷路器。

目前H級(jí)燃機(jī)機(jī)組的起動(dòng)方式都為靜態(tài)變頻器(static frequency converter，SFC)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)以同步電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)來起動(dòng)。為保證機(jī)組的正常起動(dòng)，一般認(rèn)為宜在發(fā)電機(jī)出口設(shè)置發(fā)電機(jī)斷路器。

1.2 主機(jī)廠的定型設(shè)計(jì)的要求

H級(jí)機(jī)組的定型設(shè)計(jì)，往往要求SFC隔離變裝設(shè)在發(fā)電機(jī)出口。進(jìn)口主機(jī)供貨商為了維持其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和分包采購流程不變，一般不會(huì)同意使用方修改其定型設(shè)計(jì)；DL/T 5174—2003《燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定》[1]第13.3.6條的條文解釋也有提及：“個(gè)別國外燃?xì)廨啓C(jī)制造商，也是大量生產(chǎn)發(fā)電機(jī)出口斷路器的公司，推薦變頻起動(dòng)時(shí)，要求從發(fā)電進(jìn)出口單獨(dú)引接起動(dòng)電源(此時(shí)必須增設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器)，我們認(rèn)為這種要求是從其具有發(fā)電機(jī)出口斷路器制造優(yōu)勢(shì)出發(fā)考慮的?！?/p>

1.3 存在的問題

目前已投運(yùn)的大型H機(jī)調(diào)峰燃機(jī)基本都設(shè)置了GCB。但是結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和電廠運(yùn)行人員的反饋，此方案存在以下不足之處：

1)初投資大。目前H級(jí)調(diào)峰燃機(jī)所配置的GCB主要為進(jìn)口產(chǎn)品，單臺(tái)GCB的價(jià)格達(dá)千萬元；

2)主變空載損耗導(dǎo)致電廠運(yùn)行費(fèi)用增加。由于各省級(jí)調(diào)度一般不允許電廠自行操作主變高壓側(cè)220 kV斷路器，故機(jī)組停機(jī)時(shí)，主變?nèi)蚤L期帶電，其空載損耗較大，增加了電廠的運(yùn)行費(fèi)用；

3) GCB的設(shè)置也增加了一處故障點(diǎn)，機(jī)組可靠性相應(yīng)有所降低。實(shí)際工程中也出現(xiàn)不少GCB處電壓互感器、操作機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致的事故。

2 電氣主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)DL/T 5174—2020《燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第14.2.2條要求“調(diào)峰的發(fā)電機(jī)組采用發(fā)電機(jī)變壓器組單元制接線時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器的裝設(shè)應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證決定。”第14.4.2條又規(guī)定“燃機(jī)電廠發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)負(fù)荷宜從本機(jī)組的廠用工作母線段引接?！睏l文解釋為：“燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組一般有變頻、柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)等啟動(dòng)方式，其電源不宜單獨(dú)特別從發(fā)電機(jī)雙卷變壓器組的發(fā)電機(jī)出口支接處引接，因?yàn)槿绱嗽O(shè)計(jì)必須裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，……”上述最新規(guī)范的要求可理解為在有條件的情況下不裝設(shè)GCB。

GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中16.2.5和16.2.6條的條文解釋有，“當(dāng)600 MW級(jí)機(jī)組采用220 kV發(fā)電機(jī)—變壓器—線路組或發(fā)電機(jī)—變壓器單元接線方式，且技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，也可采用主變壓器高壓側(cè)串接兩臺(tái)斷路器和高壓廠用工作變壓器由其間支接的方案”。

結(jié)合上述規(guī)范條文，本文提出優(yōu)化電氣主接線方案如下：燃機(jī)發(fā)電機(jī)與主變之間不裝設(shè)斷路器，在主變高壓側(cè)與220 kV升壓站之間設(shè)置一組220 kV發(fā)電機(jī)斷路器用于機(jī)組的啟停。每套機(jī)組設(shè)1臺(tái)高壓廠用變壓器，高壓廠用變T接于220 kV發(fā)電機(jī)斷路器與220 kV升壓站主變進(jìn)線間隔斷路器之間。高壓事故停機(jī)/備用變壓器接在#1機(jī)組對(duì)應(yīng)的220 kV母線。燃機(jī)SFC隔離變由廠用6 kV母線供電。優(yōu)化的電氣主接線方案如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的電氣主接線方案

高壓發(fā)電機(jī)出口斷路器方案在秦山300 MW核電站(升壓到220 kV)[4]及臺(tái)山1 750 MW EPR核電站(升壓到500 kV)均有過實(shí)際應(yīng)用，如圖3所示。核電廠對(duì)于設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性要求更高，因此高壓發(fā)電機(jī)出口斷路器方案應(yīng)用于燃機(jī)電站，可靠性沒有問題。

圖3 秦山核電電氣主接線

當(dāng)采用高壓GCB時(shí)，燃機(jī)電站啟動(dòng)過程與常規(guī)燃機(jī)有所不同，主要是SFC隔離變電源通過發(fā)電機(jī)出口隔離開關(guān)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，主變壓器低壓側(cè)將帶電從電壓、頻率為0開始一直到額定值時(shí)再合閘。國內(nèi)300 Mvar調(diào)相機(jī)就是采用此種啟動(dòng)方式[5]如圖4所示，目前沒有發(fā)現(xiàn)問題。而且燃機(jī)電站相比調(diào)相機(jī)啟動(dòng)條件更好：燃機(jī)電站有燃?xì)廨啓C(jī)作為原動(dòng)機(jī)，燃機(jī)電站SFC隔離變電源在轉(zhuǎn)子2 000轉(zhuǎn)時(shí)就可退出由燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)；調(diào)相機(jī)由于無原動(dòng)機(jī)，需由SFC隔離變電源一直帶動(dòng)到110%轉(zhuǎn)速再切換合閘。

圖4 300 Mvar調(diào)相機(jī)典型電氣主接線

上述兩種方案均滿足相關(guān)規(guī)程要求。方案技術(shù)表與技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1和表2所列。

表1 電氣主接線方案技術(shù)比較表

表2 電氣主接線方案投資比較表

從表1可知，優(yōu)化方案在技術(shù)上滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)仍具備常規(guī)方案的絕大部分優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)濟(jì)方面，優(yōu)化方案在節(jié)省高額初投資的情況下，還可避免主變空載損耗帶來的高額運(yùn)行費(fèi)用問題，故在經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面均有極大優(yōu)勢(shì)。

3 其他問題

采用優(yōu)化方案時(shí)，可能存在以下問題：

1) 調(diào)峰機(jī)組的并網(wǎng)、解列開關(guān)由GCB改為220 kV GIS中的SF6斷路器。此開關(guān)需進(jìn)行每天1～2次的頻繁開合(但非連續(xù)開合)，故對(duì)GIS開關(guān)的可靠性提出的更高的要求。

2) 常規(guī)方案中，無論機(jī)組運(yùn)行還是停機(jī)，主變高壓側(cè)一直處于帶電狀態(tài)，機(jī)組通過GCB投切時(shí)，對(duì)主變沖擊較小。優(yōu)化方案中，機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，主變高壓側(cè)220 kV斷路器合閘，由此產(chǎn)生的過電壓或沖擊涌流可能對(duì)變壓器造成損傷。

得到的反饋如下：

1) GIS開關(guān)設(shè)備在正常的開斷壽命次數(shù)內(nèi)，每天1～2次的非連續(xù)動(dòng)作并不會(huì)對(duì)設(shè)備本身造成明顯損壞。在開斷次數(shù)較為頻繁的情況下，運(yùn)行單位可適當(dāng)加強(qiáng)SF6(六氟化硫)氣體質(zhì)量監(jiān)測(cè)等檢查維護(hù)工作。

2) 變壓器本身的設(shè)計(jì)過程中已考慮了開關(guān)動(dòng)作所帶來的過電壓和沖擊涌流問題。且優(yōu)化方案主變電壓、頻率從0起升到額定值再合閘比空載合閘條件要好。

4 結(jié)語

結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際運(yùn)行需求，本文提出了一種大型H級(jí)調(diào)峰燃機(jī)主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化方案取消了常規(guī)方案中的發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)，在主變高壓側(cè)設(shè)置了220 kV發(fā)電機(jī)斷路器，高廠變高壓側(cè)從主變高壓側(cè)2組串接的220 kV斷路器之間支接(也可直接從220 kV母線引接)。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析論證了此方案的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)可能存在的問題進(jìn)行了咨詢驗(yàn)證。優(yōu)化方案相關(guān)技術(shù)都是成熟的，在核電站、調(diào)相機(jī)中均有成熟應(yīng)用，推薦調(diào)峰燃機(jī)電站推廣采用該優(yōu)化主接線方案以節(jié)省初投資及運(yùn)行費(fèi)用。